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Marketing-Lüge Powerbank-Kapazitäten

Heutige Geräte benötigen eine hohe Menge an Energie. Die Folge: In kürzester Zeit entleert sich ihr Smartphone-Akku. Die passende Lösung versprechen Powerbank-Hersteller und Werben mit übertriebenen Kapazitätsangaben von 10.000 mAh und mehr.

Was der Kunde oft nicht weiß: Diese Angaben machen nur Sinn, wenn zusätzlich angeben wird auf welche Spannung sich diese bezieht. Natürlich geht man als Kunde erstmal davon aus, dass sich solche Angaben auf die 5V Ausgabespannung der USB-Ports bezieht. Dies wird in der Regel genutzt um höhere Kapazitäten vorzutäuschen, indem verschwiegen wird, dass sich diese Angabe auf die interne Spannung von meistens ca. 3,7 V der verbauten "Akku-Zellen" bezieht.

In der Regel arbeiten Powerbanks so, dass sie diese interne Zellenspannung in eine höhere Ausgabespannung transformieren, was aber Energie benötigt. Aus diesem Grund macht es Sinn die Energiemenge, welche in Wattstunden (Wh) bzw. Milliwattstunden (mWh) angegeben wird zu betrachten. In der Elektronik wird der Energiegehalt dazu über die einfache Formel:
$$ E = \text{Spannung} \cdot \text{Stromstärke} \cdot \text{Zeit}
$$ bestimmt. Ein Zelle die beispielsweise 2 Stunden lang eine Spannung von 3,7 Volt bei einem Strom von 200 mA liefert hat also einen Energiegehalt von $\text{E} = 3,7 \text{ V} \cdot 200 \text{ mA} \cdot 2\text{ h} = 1480 \text{mWh}$.

Möchte man nun die effektive Kapazität bestimmen, muss man die Energiemenge durch die Ausgabespannung teilen. Ich mache dies mal an einem realistischen Beispiel deutlich und nutze die Kapazitätsangabe meiner Powerbank. Der Hersteller gibt an, dass diese eine Kapazität von 12.000 mAh besitzt. Das bedeutet also, das die Powerbank einen Energiegehalt von $\text{E} = 3,7 \text{ V} \cdot 12.000 \text{ mAh} = 44.400 \text{ mWh} = 44,4 \text{ Wh}$ hat. Die effektive Kapazität beträgt nun (da die Ausgabespannung der Powerbank 5V beträgt) $\text{Kapazität} = \frac{44,4 \text{ Wh}}{5 \text{ V}} = 8,88 \text{ Ah} = 8.880 \text{ mAh}$. Dies entspricht also einer Verringerung der angegebenen Kapazität um ganze $1 - \frac{8,88 \text{ Ah}}{12 \text{ Ah}} = 26\%$.

Man darf außerdem nicht vergessen das solche Spannungsumwandlungen weitere noch nicht eingerechnete Verluste erzeugen. So enstehen durch Umwandlung im Schnitt ca. 10% - 30% Verluste. Weiterhin dürfen Lithium-Ionen Akkus nicht komplett entladen werden, da sie sonst beschädgt werden können. Man sagt sie sollten allerhöchstens auf 10% entladen werden (dem Nutzer wird dies für gewöhnlich als 0% Akkuladung angezeigt). Dies führt dazu das nur 90% der angegebenen Kapazität genutzt werden können.

In der Praxis können Sie folgende Formel für eine optimistische Schätzung der tatsächlichen Kapazität nutzen: $$\text{Tatsächliche Kapazität} = 59,94\% \cdot‬ \text{Angegebene Kapazität}$$

Diese Formel nimmt an, dass von 3,7V auf 5V gewandelt wird, nur 90% der Akku-Kapazität überhaupt nutzbar sind und weitere 10% an Verlusten entstehen (also durch die Wandlung).

Für die Interessierteren ist hier die Formel zur Bestimmung des Verlustfaktors: $$ \text{Verlustfaktor} = \underbrace{0,9}_{\text{Real nutzbare Kapazität}} \cdot \underbrace{1-0,1}_{\text{parasitäre Wandlungsverluste}} \cdot \underbrace{\frac{3,7 \text{ V}}{5 \text{ V}}}_{\text{Allgemeine Verluste}} = 59,94\%$$

Fazit: Im gezeigten Beispiel hat die Powerbank bei optimistischer Schätzung eine reale Kapazität von $59,94\% \cdot 12.000 \text{ mAh} = 7.192,8 \text{ mAh}$. Wir sehen also, dass man den Herstellerangaben nicht bedingungslos vertrauen sollte. Zu erwähnen sei außerdem noch, dass der Ladevorgang selber immer mit Verlusten behaftet ist und es deswegen z.B. nicht möglich ist mit einer 5.000 mAh Powerbank einen Akku zu laden, der selber 5.000 mAh aufweist. Man sollte also ca. 10% Sicherheitsreserve für die Powerbank-Kapazität mit einkalkulieren, möchte man damit einen Akku wie z.B. den eines Smartphones vollständig Laden: $\text{tatsächliche Powerbank-Kapazität} = 110\% \cdot \text{Smartphone Akku-Kapazität}$


Tags: Elektronik Akku Powerbank